弗兰克赫兹FranckHertz实验.ppt

2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang1庞文宁庞文宁报告箱号：报告箱号：J弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验X-37空天飞机2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang2弗兰克-赫兹(Franck-Hertz)实验一、弗兰克一、弗兰克-赫兹实验的实验方法赫兹实验的实验方法二、实验中的重点概念及物理图像二、实验中的重点概念及物理图像三、实验目的、任务三、实验目的、任务四、实验仪器、步骤、注意事项四、实验仪器、步骤、注意事项五、实验报告及数据处理要求五、实验报告及数据处理要求2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang3一、一、弗兰克-赫兹实验的实验方法2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang4 玻尔玻尔提出原子结构的量子理论后，1914年，弗兰克弗兰克(J JFranck)Franck)和赫兹和赫兹(G GHertz)Hertz)用慢电子轰击稀薄气体原子用慢电子轰击稀薄气体原子(Hg)(Hg)，做原子电离电位测定时，发现了原子的激发能态激发能态和量子化的吸收现象，并观察到原子由激发态跃迁到基态时辐射出的光谱线，从而直接证明了玻尔原子结构的量子理论，直接证明了玻尔原子结构的量子理论，为此他们获得了19251925年的诺贝尔物理奖年的诺贝尔物理奖。19251925 弗弗兰兰克克-赫赫兹兹实实验验是是完完全全不不同同于于光光谱谱实实验验，是是从从另另一一个个角角度度来来证证明明原原子子存存在在分立能级分立能级,并能测量出原子一些能级并能测量出原子一些能级。2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang5玻尔原子模型19131913年年二、二、实验中的重点概念及物理图像实验中的重点概念及物理图像2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang61 1、以实验为基础的原子、以实验为基础的原子 的核式结构模型；的核式结构模型；2 2、光谱的实验资料和经、光谱的实验资料和经 验规律；验规律；3 3、从黑体辐射的事实发、从黑体辐射的事实发 展出来的量子论。展出来的量子论。定态假设定态假设 频率规则频率规则玻尔理论基于的三个物理学基础玻尔理论基于的三个物理学基础玻尔玻尔 研究原子结构，提出原子研究原子结构，提出原子理论理论两个基本假设：两个基本假设：2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang7波尔波尔1885年生于哥本哈根，1941年在哥本哈根大学毕业，获博士学位。1961年任哥本哈根大学理论物理学教授，1962年起担任哥本哈根大学理论物理研究所所长。曾任丹麦皇家科学院院长和原子能委员会主席、英国皇家学会会员、法国科学院院士。玻尔是量子力学创始人之一，哥本哈根学派领袖。科学活动：科学活动：发展原子、分子和原子的量子理论方面。他把经典力学和量子理论结合起来，从而引起原子理论的革命，对量子力学建立起了重要作用，1922年获诺贝尔物理学奖。主要著作主要著作:1922年出版光谱与原子结构理论、1934年出版原子理论与自然界描述、1955年出版知识统一性等。192219222024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang8关于轨道能量量子化的概念关于轨道能量量子化的概念原子处于特定条件所限定的几个能态原子处于特定条件所限定的几个能态定态定态(stationary states)所有允许能态的统称。所有允许能态的统称。电子只在确定半径和电子只在确定半径和能量的定态轨道上运动能量的定态轨道上运动,不辐射能量不辐射能量。基态基态(ground state)主量子数主量子数n=1的定态，也称为的定态，也称为基态基态。基态是能量。基态是能量最低即最稳定的状态。最低即最稳定的状态。激发态激发态(excited states)除基态以外的其余定态。除基态以外的其余定态。各激发态的能量随各激发态的能量随 n n 值增大而增值增大而增高。高。电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态。电子只有从外部吸收足够能量时才能到达激发态。2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang9 99 9原子的基态与激发态之间的关系原子的基态与激发态之间的关系基态原子基态原子激发态原子激发态原子吸收能量吸收能量释放能量释放能量2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang10氩原子氩原子(Z=18)(Z=18)的基态电子组态标示为的基态电子组态标示为ArI1s22s22p63s23p61S0Ionizationenergy127109.842cm-1(15.759610eV)电子层电子层原子核原子核氩原子第一激发氩原子第一激发态电势是多少？态电势是多少？光谱数据：光谱数据：11.55eV 11.55eV 理论计算：理论计算：13.08eV13.08eV2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang11 NIST Physics LaboratoryBasicAtomicSpectroscopicDatahttp:/www.nist.gov/physlab/data/handbook/index.cfm2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang12两条共振态两条共振态J=1,J=1,相对谱线强度相对谱线强度10001000，能级，能级11.83 eV11.83 eVJ=1,J=1,相对谱线强度相对谱线强度 500500，能级，能级11.63 eV11.63 eV氩原子(4s)(4s)ArI1s22s22p63s23p61S0两条亚稳态J=0,J=0,相对谱线强度相对谱线强度 600600，能级，能级11.72 eV11.72 eVJ=2,J=2,相对谱线强度相对谱线强度 300300，能级，能级11.55 eV11.55 eV2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang13ArI1s22s22p63s23p61S0基态基态J=1,J=1,强度强度10001000，11.83 eV11.83 eVJ=1,J=1,强度强度 500500，11.63 eV11.63 eVJ=2,J=2,强度强度 300300，11.55 eV11.55 eVJ=0,J=0,强度强度 600600，11.72 eV11.72 eV激发态激发态亚稳态亚稳态亚稳态亚稳态激发态激发态3p54s可能的激发和退激发途径可能的激发和退激发途径2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang14EnergyLevelsofNeutralArgon(ArI)11.55eV11.63eV11.72eV11.83eV11.68eV13.21eV12.91eV13.27eV13.08eV13.10eV13.15eV13.17eV13.28eV13.30eV13.33eV13.48eV系数系数1240Ug=12.45eV简单叠加简单叠加简单叠加简单叠加2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang15当电子的加速电压UA原子第一激发电势Ug 电子与原子碰撞过程中无能量的交换。碰撞前后速度不变，表现为“弹性碰撞”物理图像2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang16当电子的加速电压UA 原子第一激发电势Ug电子与原子碰撞发生能量交换。电子碰撞后速度变慢；原子退激发辐射光子电子碰撞后速度变慢；原子退激发辐射光子表现为：表现为：“非弹性碰撞非弹性碰撞”物理图像2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang17实验中采用一定入射能量的电子与实验中采用一定入射能量的电子与ArAr原子碰撞原子碰撞 2024/5/25 周六17UAURKXG1UGG2RKG1G2RAUGUAURUFUFIA F:F:电子发射丝电子发射丝 K:K:阴极阴极G1:G1:控制栅极控制栅极G2:G2:加速栅极加速栅极 R:R:收集极收集极控制栅极G1与加速栅极G2之间的加速电压UA使电子加速。在收集极R和加速栅极G2之间设置减速电压UR。注意：第一栅极和阴极之间的加速电压约注意：第一栅极和阴极之间的加速电压约1.51.5伏，消除阴极电子散射的影响。伏，消除阴极电子散射的影响。电子由阴极K发出，阴极K和控制栅极G1之间的加速电压UG2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang18弗弗兰兰克克赫赫兹实验设计兹实验设计的巧妙之的巧妙之处处 在收集极在收集极A A与减速与减速栅栅极极G G2 2之之间间加了一加了一个小而个小而稳稳定的定的拒斥拒斥(减速减速)电压电压U UR R，可，可筛筛去能量小于去能量小于 的的电电子，从而能子，从而能检测检测出入射出入射电电子在非子在非弹弹性碰撞性碰撞过过程中能量程中能量损损失的情况。失的情况。调节调节UF，固定，固定UG=1eV、UR=10eV2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang19三、实验目的、任务三、实验目的、任务1.1.通通过过对对氩氩原原子子第第一一激激发发态态电电位位的的测测量量实实验验，了了解解弗弗兰兰克赫兹研究原子能级克赫兹研究原子能级(量子化量子化)的基本思想和方法；的基本思想和方法；2.2.了了解解电电子子与与原原子子碰碰撞撞和和能能量量交交换换过过程程的的微微观观图图像像，以以及及影影响响这这个个过过程程的的主主要要物物理理因因素素，学学习习用用实实验验研研究究的的方方法法来来检检验验物物理假说和验证理论的方法；理假说和验证理论的方法；任务：任务：Ua控制在控制在0-90V0-90V范围内，测定氩原子范围内，测定氩原子的第一激发电位。的第一激发电位。Ip-收集电流，至少观测到收集电流，至少观测到6个峰。个峰。2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang20KG2AUgUgUgUgUgUg:原子的第一激发电势(电位)本实验的任务本实验的任务:就是要测出就是要测出下面下面这条这条I IA AU UA A曲线，曲线，并由此确定出氩原子的第一激发电位。并由此确定出氩原子的第一激发电位。UAIA2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang212024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang22四、实验仪器、步骤、注意事项四、实验仪器、步骤、注意事项F-HF-H管管UF,UG,UR稳压电源稳压电源UA扫描电源扫描电源2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang23电子电子氩原子氩原子KG2G1AIUAUGUR微电流仪微电流仪灯丝电压灯丝电压UFF-HF-H管管采用双栅极结构的柱面型四极管采用双栅极结构的柱面型四极管管内充有氩气管内充有氩气2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang24实验步骤 熟悉实验装置结构和使用方法熟悉实验装置结构和使用方法,按照实验要求连接实验按照实验要求连接实验线路，检查无误后开电源。线路，检查无误后开电源。注意微安表，切勿打表注意微安表，切勿打表扫描电源扫描电源UaUa有两种工作模式有两种工作模式2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang25UF:1-3VUR:6-9VUG:2-4V开关拨至手动调节开关拨至手动调节档档手动模式手动模式设定稳压电源的各电压设定稳压电源的各电压值。值。先先探探索索最佳最佳实验条实验条件件，观观测收集电流测收集电流IP随随扫描电压扫描电压UA变化规律变化规律并记录并记录分析分析。使UA在0-90V内增加，IP在表头指示050A(微电流放大器10-8A)之间变化，且有明显的峰谷，峰个数不少于峰个数不少于6个个。注意灯丝电压UF对IP的变化影响极大，但时间上反应滞后，须仔细调整并确使UF3V。2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang26计算机自动调节计算机自动调节UA模式模式,实验过程中每改变实验过程中每改变Ua的电的电压值，压值，F-HF-H管的收集极电流值随之改变。管的收集极电流值随之改变。开关拨至开关拨至慢扫档慢扫档UA上限电压设置接近90V，IP在表头指示接近50A。注意：关联调节灯丝电压UF、控制栅电压UG和拒斥电压UR。手动调节回零手动调节回零2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang282024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang30实验注意事项实验注意事项1、F-H管的电压值须按照给定值进行设置;UA设定终止值不要超过90V;手动测试完毕后，尽快将手动测试完毕后，尽快将U UA A减为零。减为零。2、长时间处于电离状态，会造成F-H管损坏或性能变差，使用中应注意。测量中，逐步增加加速电压时，电流表指针应出现最大，最小摆动的电流信号。若发出电流表指针突然超出量程(打表现象)，说明管子中有电离，应立即减小加速电压，并将灯丝电压减小。3、经过一段实验时间后，F-H管的工作条件可能与原先提供的参考数值有偏离，应重新调整灯丝电压。2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang312024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang31谢 谢切勿产生浮躁情绪上课时间：上课时间：下午下午1:30-4:501:30-4:50 晚上晚上6:30-9:506:30-9:50五、实验报告及数据处理要求五、实验报告及数据处理要求2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang32五、五、实验报告及数据处理要求实验报告及数据处理要求实验报告要求实验报告要求1)拒收电子版；2)数据处理过程严谨。实验报告内容1.实验名称；2.实验目的；3.原理简述(原理图、电路图或光路图，以及主要计算公式等)4.主要实验仪器设备；5.实验数据表格、数据处理计算主要过程、作图及实验结果和结论；6.实验现象分析、误差评估、小结和讨论。2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang33实验报告(写科学论文的前奏)实验报告是写给同行看的，所以必须充分反映自己的工作收获和结果，反映自己的能力水平，要有自己的特色，要有条理性，并注意运用科学术语，一定要有实验的结论和对实验结果的讨论、分析或评估。实验原理要简明扼要，要有必要的电或光路图，要有主要的数据处理过程，一定要列出一定要列出实验结果实验结果。2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang34数据处理要求数据处理要求使用两种方法使用两种方法:1)逐差法；2)最小二乘法单位：伏单位：伏(V)(V)；保留两位小数；保留两位小数2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang351)1)逐差法逐差法2)2)最小二乘法最小二乘法2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang36UA接触电位差和空间电流对接触电位差和空间电流对I IA A-U UA A 曲线存在影响曲线存在影响实验实验中中，随加速随加速栅极电压栅极电压 UA UA逐渐增加逐渐增加，并观察微电流计的电流并观察微电流计的电流指示。如果原子能级确实存在，而且基态与第一激发态之间有指示。如果原子能级确实存在，而且基态与第一激发态之间有确定的能量差，就能观察到如图确定的能量差，就能观察到如图所示的所示的I IA A-U UA A 关系曲线。关系曲线。2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang37UAO-A-BO-A-B段：段：随之加速场电压UA的开始升高，IA随之逐渐升高，表征绝大部分电子与氩原子作弹性碰撞(无能量交换)，并并克服克服拒斥拒斥(减速减速)电压电压U UR R到达收集极到达收集极A A。2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang38UAB-CB-C段：段：当电压UA等于或稍大于氩原子第一激发电位时，发生非弹发生非弹性碰撞性碰撞，即氩原子吸收能量从基态跃迁到第一激发态基态跃迁到第一激发态，而入射电子将失去全部或绝大部分能量，从而不能穿过拒斥场到达收集极，因此因此收集极的收集极的电流电流I IA A急剧下降。急剧下降。2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang39UAC-DC-D段：段：继续增加UA,电子在与氩原子碰撞后,还能被加速到足够的能量，克服克服拒斥场的阻力而到达收集极A，这时收集极的收集极的电流电流I IA A又开始上升。又开始上升。2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang40UAD-ED-E段：段：继续增加UA 二倍于氩原子的第一激发电位(2(2U Ug g)时，又会因第二次非弹性碰撞而失去能量，并且受到拒斥场的阻挡而不能到收集极A，因此因此收集极的收集极的电流电流I IA A再度急再度急剧下降。剧下降。2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang41UA同理，随UA增加，电子会与氩原子发生第三次、第四次非弹性碰撞，因而收集极电流IA就会相应下跌，形成具有规则起伏的IAUA曲线(如图)。两峰间的电两峰间的电位差等于氩原子的第一激发电位位差等于氩原子的第一激发电位U Ug g。（n=1,2,6）2024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang422024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang42谢 谢切勿产生浮躁情绪上课时间：上课时间：下午下午1:30-4:501:30-4:50 晚上晚上6:30-9:506:30-9:502024/5/25 周六Dr.Prof.W.N.Pang43 43基础科学研究,目前根本看不出有什么具体用途，研究成果也无法直接转化成生产力，切勿产生浮躁的情绪。普遍存在于社会的浮躁情绪，是人才培养过程中的最大敌人。